小尺寸高k柵介質MOS器件柵極漏電特性研究

王成剛

【摘 要】伴隨著MOSFET尺寸的縮小，柵氧化層的厚度不斷減小，柵極漏電流迅速增加。高k柵介質取代傳統的SiO2后可以較為有效的將柵極漏電減小，因而成為了現在研究比較熱點的問題。文章就小尺寸高k柵介質MOS器件柵極漏電特性進行相關的研究和分析。

【關鍵詞】小尺寸高k柵介質;MOS器件;柵極漏電特性

前言：

小尺寸介質MOS器件是一種半導體元件，其內部具有非常規整的結構，和穩定且可加工的特性，使得它在漏電流作用下泄漏時有更大泄露速率。由于絕緣子存在于電極表層中，所以極易被氧化而老化、脫落。文章針對小尺寸高k柵介質MOS器件柵極漏電特性進行研究，在器件物理基礎上，分析了量子效應的影響，給出了具體的泊松方程邊界條件，應用自洽的方法求解一維薛定諤與二維泊松方程，精確的計算出來載流子濃度分析布以及量子化能級等。

1、柵極漏電的研究意義

在日常生產生活中，絕大多數的金屬制品都是利用柵極泄漏來實現漏電，例如銅鋁薄膜、印刷電路板等。而隨著科技水平和制造工藝要求不斷提高，對材料科學研究力度加大，人們一直致力于半導體元件器件型腔介質MOS器件正負零電壓測量系統研制成功并應用于生產領域中。但在實際應用過程之中，該系統仍存在諸如精度不高、壽命短、穩定性差等問題，使之難以實現大規模批量生產，因此需要設計出MOS器件極漏電檢測系統。該裝置采用了低頻、寬禁帶法和差分放大倍增等方法對傳感器輸出的信號進行有效分析，并且通過將測量值與理論值加以對比，最終得到阻性電壓，從而實現零泄漏。采用高k材料代替傳統的柵介質怎樣能夠有效的減小柵極漏電電流以及如何提升高k柵氧化層的制備質量一減小柵極漏電流，這些都是具有很大的研究價值和意義的。

2、柵極漏電流的研究概況

近年來，對于各種各樣的高k柵介質材料的研究也是越來越廣泛。當前，世界有關于高k柵介質材料的研究已經有了很多的報道。其中研究比較多的高k山脊之材料有CeO2、Y2O3、Ta2O5等等二元金屬氧化物及其SrTiO3（STO）與BaSrTiO3（BST）等等擁有鈣鈦礦結構的氧化物材料系統。在這當中，CeO2、Y2O3以及Al2O3介電常數比較低，SrTiO3（STO）與BaSrTiO3（BST）的介電常數比較高，但是其抗短溝道效應比較差。而且，多數的高k柵材料的熱穩定性都比較差。Al2O3雖然有比較好的熱穩定性，但是其介電常數較低。HFO2介質材料擁有簡單的CaF2立方晶體結構、較高的介電常數以及比較穩定的化學性質，還和Si具備較好的晶格匹配。因而，使用HFO2柵介質代替傳統的SiO2是很好的選擇，也是目前研究較高的高k柵介質之一。

3、柵極漏電流研究模型存有的問題

雖然柵極漏電流的相關研究得到了逐漸的重視，也都獲取了比較顯著的進展，但是在這當中還是有許多問題等待解決的。其一，器件的隧穿電流模型分為解析模型與數值模型，解析模型是采用一些適當近視處理以及參數擬合，其結構比較簡單，物理意義也比較明確，而且運算也是比較快的，和實驗的數據符合比較好，應用起來也是很方便的。因此，解析模型是當前柵極漏電流研究當中使用比較多的模型。但是隨著器件的尺寸逐漸的縮小，量子效應所帶來的影響也越來越突出，導致解析模型的結構越來越復雜，近擬處理與計算也逐漸的困難。另外，對于二維直接隧穿電流分布的計算，當前解析模型還不具備處理的辦法。其二，自洽解模型因為其擁有比較高的進度和在計算的過程當中能夠方便計入量子效應影響，所以成為了研究較多的數值方法之一。但是當前直接隧穿電流的自洽模型都是一維模型。伴隨著器件尺寸的逐漸縮小，短溝效應也是逐漸的嚴重，源襯、漏襯結耗盡區的影響逐漸的不可忽略。即便漏源電壓是零時，載流子濃度沿溝道方向的分布也是與一維不相同的。其三，使用新型的高k柵介質材料收入能夠比較有效的降低直接隧穿電流，但是因為柵氧化層質量不高，界面態與氧化物陷阱密度比較到，所以導致了多種柵極漏電流并存。為了對于主要存有的問題完善器件的制備技術，是非常有必要研究清楚哪一種漏電流在什么樣的狀況下占據主導地位。當前在測量上這一功能還不能夠實現，只有根據柵極漏電流的試驗數據實行相應的分析與研究，但是當前國內對于這方面的研究還不是很多。總的來說，當前還沒有一個完整的MOSFET二維直接隧穿電流模型。針對于高k柵介質的柵極漏電流體系和制備技術仍然需要加強研究，爭取更早的替代傳統的柵介質材料，推進微電子技術的發展。

4、柵極漏電流的產生機制

柵極漏電電流主要是由兩個機制決定的：其一，是受壓狀態下材料內部存在非常明顯且連續的缺陷。其二，是在介質橫截面上，由于材料本身電阻率高、沿深度方向分布不均勻等因素，使得其呈階梯狀排列。通過研究可以發現具有這樣幾個特征，分別為短路型和變徑性。其中短路型引起這兩種漏電電流峰值，主要是由半導體器件的尺寸大小所決定。變徑性則與導體型相關，且隨著半導體器件厚度增加反而減小，并且隨著半導體器件厚度增加，在一定程度上可以減小導電能力。材料的越薄，其泄漏電流越大。當變徑性足夠大時（例如微米級），由于受到漏極尺寸和所受損耗影響，導致泄漏電流急劇上升。但是，因為材料內部存在大量細小裂紋、非均勻分布等因素，致使該缺陷逐漸惡化并趨于消失狀態最終引起泄露現象發生，并且使器件破損嚴重。從而，使得MOS器件型換相盒的缺口增大，在一定程度上增加了其開關頻率。在實際的柵極漏電流的構成當中，是具有很多種漏電機制并存的，而且是比較難分析出到底是哪一種漏電機制占有主導的地位，這就要求通過每一種漏電機制的原理和實際樣品的缺陷電荷密度相結合，進行詳細的研究和分析。

5、HfO2柵介質MOS電容柵極漏電實驗研究

因為HfO2具備比較高的介電常數、比較大的近代寬度、比較高的硅接觸勢壘以及優良的熱穩定性，所以成為了目前比較熱門的高k柵介質備選材料。但是通過實驗得出HfO2柵介質直接和Si接觸所產生的MOS器件的柵極漏電流比較大，其主要的原因就是高的HfO2/Si界面態密度與氧化我陷阱密度。所有可以使用各種各樣的退火工藝來提升界面的特性。

結語：

綜上所述，小尺寸高k柵介質MOS器件是一種半導體材料，具有較低的熱導率和高禁帶寬度。當發生極間泄漏時，其對應介電常數為零。利用這一特性可以有效防止在傳輸過程中造成能量損失。

參考文獻：

[1]盧漢漢. 高k柵介質MOS器件界面特性及氧化物陷阱電容效應研究[D].華中科技大學，2017.

[2]馬飛. 高k柵介質MOS器件的特性模擬與實驗研究[D].西安電子科技大學，2013.

[3]許勝國. 小尺寸高k柵介質MOS器件柵極漏電特性研究[D].華中科技大學，2006.

（作者單位：西安衛光科技有限公司）